基于MCS-51的汽油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)控制

摘要 針對電噴汽油機(jī)燃油噴射電子控制系統(tǒng)，對電子控制單元(ECU)、傳感器和執(zhí)行器的工作電路和控制原理進(jìn)行了設(shè)計，分析了發(fā)動機(jī)不同工況下的噴油量控制策略和噴油提前角的控制方法。進(jìn)行了燃油噴射控制系統(tǒng)軟件設(shè)計，包括轉(zhuǎn)速的計算、噴油正時信號和噴油量的控制程序等。
關(guān)鍵詞 燃油噴射電子控制系統(tǒng)；ECU；傳感器；噴油量

    汽車發(fā)動機(jī)燃油噴射技術(shù)是關(guān)系到內(nèi)燃機(jī)發(fā)展中能源和環(huán)保的問題，在電子技術(shù)發(fā)展的支撐下，汽車發(fā)動機(jī)燃油噴射系統(tǒng)不斷發(fā)展并日趨完善。電控燃油噴射系統(tǒng)以其對噴油量的精確控制，使得噴射霧化良好、燃燒完全，不僅能提高汽車的動力性，而且還能顯著改善汽車的經(jīng)濟(jì)性和排放性能。
    嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī)已深入到眾多技術(shù)領(lǐng)域，MCS-51系列單片機(jī)是使用最廣泛的單片機(jī)系列，其中由Philips公司生產(chǎn)的89V51系列單片機(jī)，具有低功耗／低電壓、高性能的特點(diǎn)，因此是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價格合理的單片機(jī)，尤其是它片內(nèi)的Flash ROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程，給單片機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用帶來便利。
    文中所研究的系統(tǒng)在對汽油及燃油噴射電子控制系統(tǒng)的組成和工作原理進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，以AT89C51單片機(jī)作為主控制器，結(jié)合TLC2543串行A／D轉(zhuǎn)換芯片，對各種相關(guān)傳感器及外圍電路進(jìn)行設(shè)計，對噴油量及噴油正時控制程序進(jìn)行編程。硬件電路的設(shè)計包括傳感器輸出信號預(yù)處理電路設(shè)計，模擬輸入A／D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計，以及AT89C51與TIC2543等芯片之間接口電路的設(shè)計?？刂瞥绦虻木帉懼饕ㄞD(zhuǎn)速計算、噴油量計算以及噴油正時控制程序。

1 汽油機(jī)燃油控制系統(tǒng)的組成
    燃油噴射電子控制系統(tǒng)由各種傳感器與控制開關(guān)、電子控制單元ECU和執(zhí)行器3部分組成，如圖1所示。

    汽車發(fā)動機(jī)燃油噴射電子控制系統(tǒng)，采用的傳感器主要有空氣流量傳感器或歧管壓力傳感器、曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、冷卻液溫度傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、氧傳感器和車速傳感器等；電子控制單元ECU采集的控制開關(guān)信號主要有點(diǎn)火開關(guān)信號、起動開關(guān)信號、電源電壓信號、空調(diào)開關(guān)信號和空擋開關(guān)信號等；執(zhí)行器主要有電動燃油泵、電磁噴油器和油壓調(diào)節(jié)器。
    在燃油噴射電子控制系統(tǒng)的控制部件中，空氣流量傳感器、曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器和節(jié)氣門位置傳感器最關(guān)鍵，其信號是計算確定和控制燃油噴射量必不可少的傳感器。冷卻液溫度傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、氧傳感器、車速傳感器的信號以及各種開關(guān)信號主要用于判斷發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、修正燃油噴射量，增強(qiáng)控制效果。
    發(fā)動機(jī)工作時，安裝在發(fā)動機(jī)上不同位置的傳感器將檢測到表示發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)輸送至單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)其內(nèi)存程序進(jìn)行分析、運(yùn)算，然后向各執(zhí)行器發(fā)出指令，使其按要求工作。
    發(fā)動機(jī)電子控制單元(ECU)主要由輸入回路、單片機(jī)以及輸出回路組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 汽油機(jī)燃油噴射控制系統(tǒng)原理
2．1 起動時噴油控制
    當(dāng)啟動機(jī)驅(qū)動發(fā)動機(jī)啟動時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速很低，且波動較大，導(dǎo)致空氣流量傳感器誤差較大。因此，當(dāng)ECU根據(jù)曲軸位置傳感器、點(diǎn)火開關(guān)和節(jié)氣門位置傳感器信號判斷發(fā)動機(jī)處于啟動工況時，將運(yùn)行啟動程序。ECU根據(jù)冷卻液溫度傳感器的信號確定基本噴油量，進(jìn)氣溫度和蓄電池電壓確定修正量，對噴油量進(jìn)行開環(huán)控制?？刂圃砣鐖D3所示。

2．2 起動后噴油量控制
    在起動后正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，單片機(jī)主要根據(jù)空氣流量傳感器(AFS)信號和曲軸位置傳感器(CPS)信號得到的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計算出基本噴油量，并經(jīng)過進(jìn)氣溫度、大氣壓力、蓄電池電壓、發(fā)動機(jī)水溫、怠速工況、加速工況以及全負(fù)荷工況等參數(shù)修正后，得出噴油脈寬，向噴油器發(fā)送噴油指令控制噴油。
    噴油器的實(shí)際噴油量由基本噴油量、噴油修正量和噴油增量3部分組成。
    基本噴油量由空氣流量傳感器(AFS)信號、曲軸位置傳感器(CPS)信號、以及目標(biāo)空燃比(A／F)計算確定。噴油修正量由氧傳感器(EGO)信號和蓄電池電壓UBAT信號計算確定。噴油增量由節(jié)氣門位置傳感器(TPS)信號、冷卻液溫度傳感器(CTS)信號和點(diǎn)火開關(guān)(IGN)信號計算確定。
    啟動后噴油量控制原理如圖4所示。

2．3 斷油控制
    發(fā)動機(jī)斷油控制系統(tǒng)根據(jù)斷油條件的不同，可分為超速斷油控制、減速斷油控制和清除溢流控制等。
    超速斷油是指當(dāng)發(fā)動機(jī)超過允許的極限轉(zhuǎn)速時，ECU立即控制噴油器中斷燃油噴射。
    減速斷油是指發(fā)動機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中突然減速時，ECU自動控制噴油器中斷燃油噴射。
    清除溢流是指當(dāng)加速踏板踩到底，同時又接通點(diǎn)火開關(guān)起動發(fā)動機(jī)時，ECU自動控制噴油器中斷燃油噴射，以便排除汽缸內(nèi)的燃油蒸汽，使火花塞干燥以便能夠跳火。
2．4 空燃比反饋控制
    為降低發(fā)動機(jī)有害氣體的排放量，許多汽車上裝備了三元催化轉(zhuǎn)換裝置。但三元催化轉(zhuǎn)換裝置只有在混合氣濃度處于理想空燃比附近時才能使CO、HC的氧化反應(yīng)和NO的還原反應(yīng)同時進(jìn)行，才能最大限度地降低有害氣體地排放量。為將混合氣體濃度控制在理想空燃比14．7：1附近，在發(fā)動機(jī)的排氣管中安裝了氧傳感器，單片機(jī)通過氧傳感器的反饋信號對噴油量進(jìn)行控制，從而控制混合氣的濃度。
2．5 噴油正時的控制
    噴油正時控制就是控制噴油器何時開始噴油。發(fā)動機(jī)燃油噴射系統(tǒng)按噴油器安裝部位分為單點(diǎn)噴射系統(tǒng)和多點(diǎn)燃油噴射系統(tǒng)兩類。單點(diǎn)噴射系統(tǒng)只有一或兩只噴油器，安裝在節(jié)氣門體上，發(fā)動機(jī)一旦工作就連續(xù)噴油。多點(diǎn)燃油噴射系統(tǒng)每個汽缸配有一只噴油器，安裝在燃油分配管上。噴油器的控制電路決定著噴油正時，即噴油時刻與噴油順序。噴油器的控制電路可分為同時噴射、分組噴射和順序噴射3種方式。

3 燃油噴射控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計
    本設(shè)計控制芯片采用89C51單片機(jī)，由3個89C51芯片分別進(jìn)行噴油量計算、轉(zhuǎn)速計算和噴油正時控制。A／D轉(zhuǎn)換采用TI公司生產(chǎn)的串行A／D轉(zhuǎn)換器TLC2543，它具有輸入通道多、精度高、速度高、使用靈活和體積小的優(yōu)點(diǎn)。
    TLC2543為CMOS型12位開關(guān)電容逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)含有一個14通道多路器，可從11個模擬輸入或3個內(nèi)部自測電壓中選擇一個。
    發(fā)動機(jī)上裝配的傳感器是發(fā)動機(jī)控制和判斷發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵部件，但其輸出的信號千差萬別，不能直接輸送給單片機(jī)進(jìn)行處理，必須對其進(jìn)行預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號后再送給單片機(jī)。
    各種傳感器所采集的信號可分為模擬信號和數(shù)字信號兩大類。對于模擬信號，如空氣流量傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器等幅值為0.5～5V之間，頻率變化緩慢，主要處理方式是低通濾波和信號隔離。經(jīng)低通濾波后，在經(jīng)過隔離裝置送入A／D轉(zhuǎn)換器，以消除數(shù)字電路和模擬電路之間的干擾。模擬信號中有些幅值較小的信號如果直接送給A／D轉(zhuǎn)換器，不能充分的利用A／D轉(zhuǎn)換器的精度，故需對其進(jìn)行放大處理。對一些大幅值信號，如蓄電池電壓信號，其幅值達(dá)14V，因此需要對其進(jìn)行限幅處理之后再經(jīng)低通濾波和隔離，才可進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。
    對于數(shù)字信號，因其在傳輸過程中受到電磁輻射以及自身信號衰減等會產(chǎn)生失真，導(dǎo)致單片機(jī)無法直接使用，故需進(jìn)行整形處理。整形后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字脈沖再經(jīng)高速光電隔離電路后送給單片機(jī)，以消除干擾，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。
3．1 空氣流量傳感器輸出信號的處理
    設(shè)計采用專用芯片5階開關(guān)低通濾波器Max7419，對空氣流量傳感器的輸出信號進(jìn)行低通濾波。Max7419允許通過的信號頻率為1 Hz～45 kHz，其外圍電路如圖5所示。芯片采用+5 V供電，時鐘信號由內(nèi)部提供，也可以用外部時鐘以獲得更高的頻率穩(wěn)定性，失調(diào)調(diào)節(jié)引腳(OS)可用于調(diào)節(jié)輸出直流電平。Max7419提供53 dB的阻帶抑制，過渡比為1．6：1。Max7419采用的逼近函數(shù)為Besel函數(shù)。

3．2 曲軸位置傳感器輸入信號的處理
3．2．1 輸出波形的整形
    曲軸位置傳感器信號決定著何時進(jìn)行噴油，對噴油正時尤為重要。文中以上汽通用五菱4缸微型車曲軸位置傳感器為例。該車采用霍爾式曲軸位置傳感器，輸出信號為方波脈沖信號，曲軸齒圈上人為地去掉兩個輪齒，以確定曲軸位置。曲軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中，產(chǎn)生58個方波脈沖，其中包括1個較寬脈沖和57個較窄脈沖，寬脈沖寬度約為窄脈沖寬度的3倍。由此可知，每個窄脈沖相當(dāng)于曲軸轉(zhuǎn)過60°，可根據(jù)該寬脈沖作為基準(zhǔn)，確定曲軸的位置。同時，配以凸輪軸位置傳感器信號，即可確定各缸活塞的運(yùn)行位置。霍爾式曲軸位置傳感器輸出的方波信號由于在傳輸?shù)倪^程中受到輻射等干擾會產(chǎn)生一定程度的失真，需對其進(jìn)行整形。在此，采用集成施密特觸發(fā)器CD40106作為整形電路。觸發(fā)器輸出端接反相器即可得到與輸入信號同相并且消除了幅值波動的標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖信號。
3．2．2 曲軸位置的檢測
    曲軸位置傳感器的標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖，經(jīng)過高速光電隔離器可送入單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)結(jié)合凸輪軸位置傳感器信號，即可測得曲軸位置的第0號大缺齒脈沖，再通過凸輪軸位置傳感器的高低電平狀態(tài)判斷此時第一缸處于的工作狀態(tài)。
3．3 溫度傳感器輸出信號的處理
    燃油噴射電子控制系統(tǒng)中有兩個溫度傳感器，即冷卻液溫度傳感器和進(jìn)氣溫度傳感器。圖6所示為水溫傳感器的工作電路。

    對水溫傳感器輸出信號的處理方法與對節(jié)氣門位置傳感器輸出信號的處理方法相似，也通過低通濾波器和線性光電隔離放大器，然后送入TLC2543 A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。進(jìn)氣溫度傳感器信號的處理可參照水溫傳感器信號處理的方法。
3．4 氧傳感器輸出信號的處理
    氧傳感器是空燃比反饋控制系統(tǒng)的重要部件，它通過監(jiān)測排氣中的氧離子含量來獲得混合氣的空燃比信號，并將空燃比信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞斎氚l(fā)動機(jī)ECU。ECU根據(jù)氧傳感器信號對噴油脈寬進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)空燃比反饋控制，從而將過量空氣系數(shù)控制在1．0左右，使發(fā)動機(jī)得到最佳濃度的混合氣，從而降低有害氣體排放量和節(jié)約燃油之目的。
3．5 噴油器及其驅(qū)動電路
    噴油器的驅(qū)動電路可采用如圖7所示的電路。通過控制噴油器的工作電壓來控制噴油器工作。在該電路中，使用高電阻噴油器時，可將蓄電池電壓直接加在噴油器上；而使用低電壓噴油器時，則應(yīng)在電路中串入附加電阻，將蓄電池電壓分壓后加在噴油器上。圖中的R和C組成消弧回路。

4 程序設(shè)計
    在系統(tǒng)程序設(shè)計中，采用3片單片機(jī)E1、E2、E3，由E1單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速計算，計算完成后將轉(zhuǎn)速計算數(shù)值通過串行口發(fā)送給E2。E2單片機(jī)首先根據(jù)起動開關(guān)信號(STA)、怠速觸點(diǎn)信號(IDL)以及轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行工況識別，而后進(jìn)行噴油量計算，計算完成后，將噴油量控制脈寬數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給E1。E2單片機(jī)根據(jù)噴油脈寬在噴油時刻到來時控制各缸噴油器按照1-3-4-2的順序進(jìn)行噴油?？刂屏鞒虉D如圖8所示。

5 結(jié)束語
    論文研究并設(shè)計了基于MCS-51單片機(jī)的汽油機(jī)電控燃油噴射控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過傳感器和控制芯片對噴油脈寬進(jìn)行閉環(huán)控制，解決了化油器式發(fā)動機(jī)進(jìn)氣阻力大、汽油霧化質(zhì)量差、不能實(shí)現(xiàn)最佳空燃比控制、排氣污染高等問題，并能較大地提高汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計初步實(shí)現(xiàn)了特定工況下的控制目標(biāo)，分析了控制策略，并完成整個控制系統(tǒng)的搭建。